管风琴的以太网连接

管风琴的历史可以追溯到2000多年前，现在他们使用最新的网络技术，包括802.11无线，来连接他们复杂的机制。这里讨论的管风琴并不是指使用数字或其他电子技术来发出声音的管风琴，而是指使用压缩空气吹出的真管的乐器。风琴一直是最复杂的乐器，所以今天的风琴建造者利用先进的技术使工作变得简单得多。

管风琴在历史上有非常复杂的结构，在工业化前的欧洲，它们代表了当时最复杂的机械设备。键盘和踏板上的每个键都需要一系列曲柄和杠杆来打开箱子里的阀门，让各个管道发声。这些机械有实际的局限性，直到19世纪气动和电动设备减少了对直接机械连接的需求，这些局限性才被克服。

到20世纪，电动和电动气动系统在很大程度上取代了早期的设计，尽管机械仪器(通常被称为“跟踪器”)今天仍然在建造，并且被一些纯粹主义者认为是更优越的，尽管它们的机械复杂性和高成本。

如果你想知道是否还有人在制造管风琴，《华尔街日报》估计，仅在美国，管风琴行业就有8000万美元的收入。虽然规模不大，但在21世纪，器官制造非常活跃。

技术稳步进步

管风琴手坐在控制台前选择音阶，这些音阶是用来发出特定音乐声音的一排管子。它们可以单独使用，也可以组合使用。通常，一个rank有61个管道来匹配键盘上的按键数量。如果管风琴手拉五个音挡，当他或她按下一个音符时，与该音符对应的五个管同时演奏。管道说话是因为胸腔内的阀门打开，允许压缩空气或风进入管道。所以一个管风琴手的演奏触发了一系列非常复杂的阀门。适合音乐厅或大型教堂的管风琴很容易有2000到5000根管管，因此对开关系统的要求是相当大的。

早期的电气控制系统是硬布线的，由继电器机架和数千个单独的连接组成。任何尺寸的仪器都有大量的小电线，通常还有一整个房间专门用于安装精致的开关设备。随着二极管和晶体管的出现，继电器被固态机构所取代，印刷电路板取代了许多手工有线连接，但电线仍然太多。在20世纪80年代，更复杂的多路复用系统进一步减少了必要的布线。

最近，基于以太网的网络在简化内部布线的同时，将用户功能提升到了一个新的水平。不幸的是，这些网络也带来了与工业运动控制平台同样的问题:延迟和抖动。

管风琴对网络有特殊的要求。当管风琴手按下一个键时，系统必须识别出某个特定的音符的触点是关闭的;它必须检查绘制了哪些止损点;然后它将信号传送到适当的管道，让它们在手指或脚停留在音符上的时间内说话。然而，管风琴手通常不会只用一根手指演奏。他们用10个手指和双脚来保持开关的打开和关闭，速度和敏捷令人惊叹。此外，止损的组合也可以不断变化。

听出区别

管风琴手习惯于与他们发出的声音分离，因为管风琴通常离控制台有一段距离。因此，他们明白音乐总是落后于他们的手指。但一个管风琴手能分辨出声速和一个草率的、不确定的交换网络之间的区别吗?

根据拥有固态器官系统的1602集团总裁邓肯·克伦德威尔的说法，答案是“是的”。他回忆道:“我们从最初的安装中了解到延迟是一个问题。”“管风琴手坐在距离管道室50英尺的地方，因为空气中的声速，听到管道说话的时间至少延迟了50毫秒，所以我们假设再增加30毫秒只会让乐器进一步后退，但总是一个恒定的量。但事实并非如此，早期的测试表明，延迟很重要，恒定的延迟也是如此。我们发现，如果延迟是恒定的，那么感知延迟的开始时间约为20毫秒，但可变延迟的可耐受性较差。”

彼得森电子音乐产品公司(EMP)总裁斯科特·彼得森报告了类似的观察结果。他说:“一些顶尖的管风琴手似乎有一种非凡的能力，可以发现他们用手指按键的方式和他们听到的反应之间的差异，尤其是延迟的变化，他们认为这是音乐中节奏的不规则。”“大多数管风琴手认为可以接受的参数比少数艺术大师认为可以接受的参数要宽松得多。我们的经验表明，对于许多管风琴手来说，总延迟超过30毫秒是一个问题。大约15毫秒的变化范围(例如，名义-负10毫秒到名义-正5毫秒)被大多数人认为是可以接受的，而接近25毫秒或30毫秒的变化范围可能是令人反感的。尽管如此，我们还是发现抖动比延迟更令人担忧，尽管两者都是重要的考虑因素。”

以太网帮助为管风琴演奏家提供了复杂的功能，同时为管风琴系统设计者创造了灵活性。Peterson说:“在我们的ICS-4000控制系统中使用以太网，可以将系统性能保持在可接受的范围内，但我不认为在大型作业中做到这一点很容易。”“ICS架构使用分布式处理系统，其中控制台的主微处理器通过以太网与远程位置的卫星微控制器通信。在优化所有必需的任务在本地和主处理器之间的分配时，我们非常谨慎，并着重于性能。较小的系统很容易，但非常大的管道机构在每帧或扫描周期中有更多的输入和输出需要处理。随着我们销售越来越大、越来越复杂的系统，我们不得不提高代码的严密性，以应对挑战。我认为实际的以太网通信结构已经足够快了，但是我们必须提供数据管理，在数据在处理器之间传输之前和之后，我们需要保持非常清晰。”

同时，Crundwell说以太网也带来了它自己的一系列问题。他指出:“TCP/IP本身并不能满足我们对延迟和帧完整性的大部分要求。”管风琴控制系统中的包非常小，而且非常频繁。在ip语音(VOIP)系统中，掉帧不是一个大问题，但在管风琴中，除非使用其他措施来保持完整性，否则它可能是灾难性的，因此用户数据报协议(UDP)类型的系统并不能解决许多问题。”

开关触点闭合的机械方面也是一个问题。管风琴手习惯了键盘的触感，并希望每次触点都能在同一点合上。按键通常压低0.315英寸。然而，开关触点关闭得更快，通常只有0.100英寸，这有助于管风琴手演奏快速通道。键盘必须非常小心地调整，以确保每个音符的结尾或“语音点”非常一致。克伦德韦尔说:“一个设计糟糕的以太网系统将引入可变的延迟，风琴手将感知到接触位置的移动。”“他们觉得这非常令人不安。抖动和缺乏精确的扫描和复制会抹掉一个管风琴手多年来努力实现的最细微的差别。”

克伦德韦尔说:“自动化系统已经跟踪了从磁鼓到SRAM到闪存再到现在的可移动驱动器的存储技术。”“网络已经允许一个拥有近1000个输入的管风琴控制台操作分布式I/O系统，实时控制多达15,000个执行器。”

作者信息

彼得·韦兰德(Peter Welander)是过程工业编辑，也是一名业余风琴建造者。联络他的地址是PWelander@cfemedia.com．

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